智能制造工程離散行業(yè)自動化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案

黃志強(qiáng)，劉召杰

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

智能制造工程離散行業(yè)自動化生產(chǎn)線工作流程主要有主件供料、次品分揀、旋轉(zhuǎn)物料、方向調(diào)轉(zhuǎn)、產(chǎn)品組裝及產(chǎn)品分揀等一系列步驟，實(shí)現(xiàn)把主料件（開關(guān)基座）、輔料件1（推桿及彈簧墊片的組合體）及輔料件2（頂絲）裝配為合格的直動式限位開關(guān)，如圖1所示，并依據(jù)該產(chǎn)品的種類進(jìn)行分揀的功能。由于原系統(tǒng)的每一個工作站都是獨(dú)立存在的，所以當(dāng)同時有多個物料進(jìn)入工作站時，將會影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，因此需對控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 生產(chǎn)流程設(shè)備圖

利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)，設(shè)計(jì)并實(shí)施生產(chǎn)線工作站邊緣計(jì)算解決方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)視、云端數(shù)據(jù)傳輸與獲取等功能。

1 系統(tǒng)部分

1.1 西門子S7-1200控制器

本設(shè)備控制器采用西門子引領(lǐng)小型化系統(tǒng)的最新產(chǎn)品S7-1200。西門子S7-1200控制器使用靈活、功能強(qiáng)大、可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)，可用于控制各種各樣的設(shè)備以滿足自動化需求。S7-1200具備設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活的強(qiáng)大功能，在各種小中型化工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中應(yīng)用，能夠通過以太網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通信，且價格比S7-300/400低。如圖2所示。

圖2 西門子S7-1200控制器

1.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)10T2050

利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)10T2050和Node-RED與騰訊云平臺連接設(shè)計(jì)并實(shí)施生產(chǎn)線工作站邊緣計(jì)算解決方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)視、云端數(shù)據(jù)傳輸與獲取等功能需求分析工業(yè)云平臺，針對工業(yè)現(xiàn)場完成并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線信息化，通過MQTT協(xié)議將工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備與云服務(wù)器相連，采集、傳輸現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)到云端，從而可以及時地監(jiān)控、分析和處理數(shù)據(jù)，提高工業(yè)生產(chǎn)效率。針對次品分揀站的工業(yè)現(xiàn)場，工業(yè)云平臺能夠?qū)崟r將現(xiàn)場檢測信號和現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及過程中采集到的物料高度及生產(chǎn)情況進(jìn)行分析和處理。如圖3所示。

圖3 西門子智能網(wǎng)關(guān)IOT2050

1.3 系統(tǒng)搭建

智能網(wǎng)關(guān)、各類客戶端等，相互之間依靠MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。10T智能網(wǎng)關(guān)采集PLC（可編程邏輯控制器）為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線信息化需要搭建一個工業(yè)云平臺，其中包括云服務(wù)器、現(xiàn)場各類型設(shè)備和10T2050的數(shù)據(jù)，主動發(fā)送到已配置好的騰訊云服務(wù)器，10T智能網(wǎng)關(guān)也可以從騰訊云服務(wù)器中獲取指令發(fā)送給PLC等現(xiàn)場設(shè)備：客戶端可以通過MQTT協(xié)議向服務(wù)器訂閱相關(guān)信息，也可以用HTML（超文本標(biāo)記語言）網(wǎng)頁或工業(yè)APP實(shí)時動態(tài)地顯示出來。工業(yè)云平臺的系統(tǒng)搭建如圖4所示。

圖4 智能網(wǎng)關(guān)搭建網(wǎng)絡(luò)圖

1.4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

此次工業(yè)生產(chǎn)流程主件供料站部分PLC采用西門子S7-1200引領(lǐng)小型自動化系統(tǒng)的產(chǎn)品西門子S7-12001214cdcdcdc；操作站與西門子S7-1200控制器之間采用以太網(wǎng)通信方式，控制器與仿真服務(wù)器之間采用以太網(wǎng)通信。如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 邏輯控制流程圖

第一站邏輯控制流程圖如圖6所示。

圖6 邏輯控制流程圖

2.2 控制回路、控制算法流程圖

控制回路及算法流程圖如圖7所示。

圖7 控制回路及算法流程圖

3 人機(jī)交互設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 登陸界面

登錄界面屬于用戶管理模塊，為了生產(chǎn)和數(shù)據(jù)的安全，這些參數(shù)只能允許指定的賬戶登錄，禁止沒有得到授權(quán)的人對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和操作，登錄界面對不同用戶進(jìn)行區(qū)分并設(shè)置不同的訪問級別，以保證生產(chǎn)和數(shù)據(jù)的安全。如圖8所示，是人機(jī)界面的登錄界面，需要登錄用戶名和密碼來進(jìn)行人機(jī)界面的操作功能。

圖8 登錄界面操作圖

3.2 主界面

主界面用于切換各個界面，是管理員登錄后的界面，方便管理員操作。如圖9所示。

圖9 主界面操作圖

4 系統(tǒng)安全分析

4.1 生產(chǎn)模式切換保護(hù)

如果生產(chǎn)線需要切換模式，只有在拍下急停按鈕后才可進(jìn)行模式切換或選擇。松開急停即可啟動。

4.2 生產(chǎn)設(shè)備故障保護(hù)

生產(chǎn)線在生產(chǎn)運(yùn)行過程中發(fā)生故障時會報警并會第一時間觸發(fā)報警信號燈和報警器，并自動斷開運(yùn)行模式。

4.3 限位軟件保護(hù)

生產(chǎn)線在運(yùn)行過程中，生產(chǎn)線傳送帶的前后兩端設(shè)有傳感器開關(guān)，當(dāng)電機(jī)接觸到傳感器，PLC通過程序檢測到前后兩端信號，就會立即停止電機(jī)。

4.4 限位硬件保護(hù)

在生產(chǎn)線傳送帶的前后兩端設(shè)有限位開關(guān)，當(dāng)電機(jī)觸碰到限位時，立即停止向當(dāng)前方向運(yùn)行。

4.5 系統(tǒng)緊急停止

當(dāng)發(fā)生突發(fā)情況時，按下急停按鈕時，系統(tǒng)無論出于何種狀態(tài)都應(yīng)該立刻停止運(yùn)動，停止并保持在當(dāng)前狀態(tài)。

4.6 系統(tǒng)短路保護(hù)

在生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)工作中發(fā)生短路或過載時，空氣斷路器會瞬間自動跳閘，以防止任何意外事故的發(fā)生。

4.7 系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)

系統(tǒng)由互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時上傳到云端并監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)發(fā)生故障時，騰訊云服務(wù)器會根據(jù)數(shù)據(jù)分析自動反饋維護(hù)建議，系統(tǒng)根據(jù)維護(hù)建議進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

4.8 漏電危險

自動化設(shè)備若發(fā)生漏電現(xiàn)象，可能會使操作人員觸電而受到傷害，為防止觸電傷害，設(shè)備應(yīng)定期檢測線路，設(shè)備外殼接地，防止漏電。

4.9 工位與工位之間互鎖與聯(lián)動安全

設(shè)備中有電機(jī)、模式切換和工位等。當(dāng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)時，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)互鎖；當(dāng)模式切換時，自動和單步需實(shí)現(xiàn)互鎖。在工廠中，有可能出現(xiàn)人為的錯誤操作，比如當(dāng)設(shè)備正在自動運(yùn)行時，突然有人把開關(guān)打到單步運(yùn)行擋。

4.1 0工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)危險

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用，工業(yè)設(shè)備可以通過某種協(xié)議接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和信息交互。然而這種開放的網(wǎng)絡(luò)化使得工控系統(tǒng)極容易受到入侵，被黑客修改工業(yè)設(shè)備參數(shù)，對工業(yè)環(huán)境造成破壞，比如造成停機(jī)、生產(chǎn)中斷和人員安全等問題。

4.1 1系統(tǒng)誤操作危險

在一些沒有設(shè)置登錄權(quán)限的人機(jī)交互界面中，任何人都可以通過WINCC（視窗控制中心）對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改，如設(shè)置界面參數(shù)被篡改，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行而崩潰。

5 結(jié)束語

目前全球化經(jīng)濟(jì)環(huán)境穩(wěn)定，工業(yè)生產(chǎn)的企業(yè)中更應(yīng)該使用行業(yè)最新的自動化設(shè)備，從而使企業(yè)具有更高的效率及生產(chǎn)質(zhì)量，從而減少產(chǎn)品的可變性，降低生產(chǎn)過程中的成本及不必要的能源消耗，從而達(dá)到節(jié)能減排的綠色生產(chǎn)指標(biāo)。低碳節(jié)能成為共識。本設(shè)計(jì)采用PLC為S7-1200控制器，其使用靈活、功能強(qiáng)大，可用于控制各種各樣的設(shè)備以滿足自動化需求。在各種小中型化工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中應(yīng)用，且價格比S7-300/400低。PLC具有自行診斷、故障報警、體積小、重量輕和能耗低等優(yōu)勢，通過在面板上的各種指示便于操作人員檢查調(diào)試，大大減少了工作人員的工作量，有助于提高中小型企業(yè)向智能制造方向轉(zhuǎn)型。